Hightech an deutscher Fachhochschule 08.04.2020, 00:00 Uhr

Einzigartige Mikroskopie für den Blick bis zur molekularen Ebene

Ein Höchstleistungs-Elektronenmikroskop für die Spitzenforschung ist kürzlich an der FH Münster in Betrieb gegangen. Es erlaubt Einblicke ins Innerste von Materialien und bietet dadurch Erkenntnisse, die sich in zahlreichen Industriezweigen nutzen lassen. Die FH Münster, die in Hochschul-Rankings bisher eher weniger im Fokus stand, nimmt damit jetzt eine Vorreiterrolle ein.

Die Mitarbeiter an der FH Münster nehmen gemeinsam gemeinsam mit ihrem Professor das neue Höchstleistungs-Elektronenmikroskop (SEM) in Betrieb (v.l.n.r.): Dr. Roland Schmidt, Holger Uphoff, Prof. Dr. Bernhard Lödding und Prof. Dr. Hans-Christoph Mertins. Foto: FH Münster/Theresa Gerks

Die Mitarbeiter an der FH Münster nehmen gemeinsam gemeinsam mit ihrem Professor das neue Höchstleistungs-Elektronenmikroskop (SEM) in Betrieb (v.l.n.r.): Dr. Roland Schmidt, Holger Uphoff, Prof. Dr. Bernhard Lödding und Prof. Dr. Hans-Christoph Mertins.

Foto: FH Münster/Theresa Gerks

Wer Pflegewissenschaft oder Informatik studieren und zugleich Erfahrungen in der Berufspraxis sammeln möchte, war an der Fachhochschule (FH) Münster nach den Beurteilungen des CHE (Centrums für Hochschulentwicklung) gut aufgehoben. Der Bereich Physik ist beim Hochschul-Ranking bisher noch nicht so sehr aufgefallen. Ohnehin stehen eher die großen Universitäten in deutschen Landeshauptstädten im Blickpunkt, wenn es um Forschung und Entwicklung in den Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie um die Forschungsförderung durch öffentliche Mittel geht – wie die TU München, die Universität Stuttgart, oder aber die RWTH Aachen. Ein engagierter Professor im Fachbereich Physikingenieurwesen an der FH Münster, Abteilung Steinfurt, sorgt daher mit einer besonderen Anschaffung für sein Labor aktuell für Aufsehen.

Renommierter Wissenschaftler macht Finanzierung möglich

Prof. Dr. Hans-Christoph Mertins hat bei der Anschaffung des Mikroskops maßgeblich mitgewirkt – und darf es nun für die Spitzenforschung im Labor für Physik der Materialien / Elektronenmikroskopie einsetzen. Die FH Münster ist somit die erste Hochschule für angewandte Wissenschaften in Deutschland, die ein derartiges Gerät besitzt und damit forschen kann. In Forschung und Lehre hat sich Mertins einen guten Ruf erarbeitet. Zu seinen Themengebieten gehören Materialwissenschaften, Elektronenmikroskopie, Röntgen- und Magneto-Optik, Halbleiterspektroskopie, Synchrotronstrahlung, Solartechnologie und UV- Spektroskopie. Seit 2003 hat er die Professur für Physik am Fachbereich Physikalische Technik der Fachhochschule Münster / Steinfurt inne. Er ist Mitglied im Fachbereichstag „Physikalische Technologien“ und in der „Arbeitsgruppe Fachhochschulen“ der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG). 2010 wurde Mertins mit dem „Bologna-Preis“ der Fachhochschule Münster für herausragende Lehre ausgezeichnet.

SEM bietet Einblicke in Kristalle und Nanomaterialien

In einem Rasterelektronenmikroskop (REM) – oder englisch als „scanning electron microscope“ (SEM) bezeichnet – wird ein dünner Elektronenstrahl über das üblicherweise massive Probenmaterial geführt (gerastert). Zur Erzeugung eines Bildes werden die Wechselwirkungen der Elektronen mit dem Objekt genutzt. Die mit einem SEM erzeugten Bilder geben die Objektoberflächen wider und bieten eine hohe Schärfentiefe. Das neue Gerät an der FH Münster erlaubt es, so nah an die Probe heran zu zoomen, dass die Wissenschaftler sogar einzelne Molekülketten erkennen können.

„In Zukunft werden viele Forschungsprojekte ins Leben gerufen werden, die einen tieferen Blick in die Strukturen nötig machen“, erklärt Prof. Mertins. „Zwar ließe sich berechnen, wie die Kristalle und Nanomaterialien aufgebaut sind, und daraus könnten theoretische Vorstellungen abgeleitet werden. Aber ist das auch in der Praxis so, wie in der Theorie errechnet? Und wie verhalten sich die neu entwickelten Materialien?“

Großinvestition für die angewandte Wissenschaft

Die Spitze der Forschung werde immer enger, erläutert Mertins. „Wir sind daher froh, dass wir nun dank der Großinvestition deutschlandweit mithalten können. Das neue hochauflösende SEM ergänzt die bereits gute Ausstattung am Labor der FH in Steinfurt ideal.“

Das über ein Großgeräteprogramm der Länder finanziert Mikroskop hat 600.000 Euro gekostet – eine einzigartige Investition für eine Fachhochschule. Geplant ist, dass vor allem Doktoranden und Masterstudierende daran arbeiten werden. Aktuell forschen Eva Capelle und Raphael Beil mithilfe der neuen Technik. Sie werden dabei betreut von Holger Uphoff, der als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachbereich tätig ist und sich dort großes Know-how erworben hat. Dieses kann er nun bestens einsetzen: Denn bis ein derart aufwendiges Mikroskop bis ins kleinste Detail bedient werden kann und alle technischen Möglichkeiten verstanden sind sowie beherrscht werden, ist einiges an Zeit nötig.

Ultrahochauflösendes Mikroskop aus hochmoderner Regulus-Baureihe

Das Mikroskop der Wahl stammt vom japanischen Anbieter Hitachi High-Technologies, einem Mitglied der Hitachi Gruppe, das als weltweit führend bei Elektronenmikroskopen gilt. Der Mutterkonzern betreut in Europa mit umfassendem Know-how eine Vielfalt von Produkten: von Computern und Peripheriegeräten über wissenschaftliche Instrumente und Systeme bis zu elektronischen Geräten, Industriemaschinen und Werkstoffen. Kürzlich wurde die neue „Regulus“-Serie von Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopen (FE-SEM) vorgestellt, aus der auch das von der FH Münster angeschaffte Mikroskop stammt.

Die Modelle haben den positiven Ruf, Präzision und Leistung mit Nutzungsfreundlichkeit zu kombinieren. Sie werden zudem immer kleiner und energieeffizienter. Die Regulus-Serie verwendet eine neuartige CFE-Pistole (Cold Field Emission), die für hochauflösende Bilder bei niedrigen Beschleunigungsspannungen optimiert ist. Damit können hochauflösende Bilder bis zu 2 Millionen Mal vergrößert werden, verglichen mit 1 Million Mal bei früheren Modellen.

Das Mikroskop selbst hat bis nach Münster eine weite Reise hinter sich: Es wurde aus Japan mit dem Schiff nach Hamburg gebracht und anschließend von dort aus in einem luftgepolsterten LKW nach Steinfurt weitertransportiert. Zwei Fachkräfte benötigten für den qualifizierten Zusammenbau insgesamt fünf Tage. In der Folgezeit war Dr. Roland Schmidt von Hitachi auf dem Campus, um die wissenschaftlichen Mitarbeiter in die Technik einzuführen und Feinheiten zu vermitteln.

Neue Chancen in Forschung und Lehre erschließen

Inzwischen untersucht das Team um Mertins, zusätzlich unterstützt durch den emeritierten Professor Dr. Bernhard Lödding, im Labor für Physik der Materialien/Elektronenmikroskopie die ersten Proben. Anwendungsbeispiele sind diverse Nanostrukturen. Da sich Mertins auch international durch seine Veröffentlichungen einen guten Ruf erarbeitet hat, ist er an Kooperationsvorhaben beteiligt. Ein Beispiel ist die Analyse von Drucksensoren, die in Schuhsohlen im Bereich der Orthopädie-Technik genutzt werden können. Im diesem Fall handelt es sich um ein neues gemeinsames Forschungsprojekt mit Wissenschaftlern aus Canberra in Australien. Andere materialwissenschaftliche Fragestellungen werden fachbereichsübergreifend mit Kollegen der FH Münster bearbeitet, zum Beispiel mit den Chemieingenieuren: Hierbei geht es unter anderem um Leuchtstoffe und „Biomarker“ aus der Nanotechnologie.

Mit einem Elektronenstrahl tastet das SEM die Probe atomgenau ab. Eines der ersten hochaufgelösten Fotos zeigt, dass Nanoröhrchen sich im ungünstigen Fall bündeln und verklumpen können.

Foto: FH Münster/Theresa Gerks

Auch für Unternehmen, die Messungen an dem Höchstleistungs-Elektronenmikroskop durchführen lassen wollen, steht das Labor für Physik mit Prof. Mertins als Ansprechpartner zur Verfügung. Industrielle Projekte werden künftig den Erfahrungsschatz weiter voranbringen. Das neue SEM-Höchstleistungs-Elektronenmikroskop ist somit nicht nur das Highlight in der Laborausstattung am Fachbereich Physikingenieurwesen der FH Münster, sondern auch in der deutschen Forschungslandschaft.

https://www.fh-muenster.de/pt/professorInnen/mertins/mertins.php

Birgit Etmanski, promovierte Maschinenbau-Ingenieurin, ist Chefredakteurin der Zeitschrift VDI-Z.

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